前面，我們已經(jīng)談到過在掌握星系文明科技的前提下，怎樣去建造恒星?，F(xiàn)在讓我們更進一步，來探討一下如何建造一個黑洞。

大家可能還記得，建造一顆假想中的恒星基本上就是聚集足夠多的物質(zhì)，使其在自重下坍縮。有足夠的質(zhì)量（約80-90倍的木星質(zhì)量），星體內(nèi)部壓力就會變得大到足以啟動把氫融合成氦的核聚變，從而點亮恒星。由于原子的核聚變會向外產(chǎn)生很大的輻射壓，使得建造一個黑洞比建造一顆恒星要更困難。

建造黑洞的一種簡單方法是通過建造一顆質(zhì)量龐大的恒星，然后等待其死亡。當恒星進行核聚變時，氫被聚變成氦。隨著時間的推移，恒星的密度逐漸增加，而恒星會變得更熱。最終，壓力變得足夠高，使得氦聚變成諸如碳、氮和氧等元素。這些元素最終還會聚變成更重的元素。

超新星爆發(fā)

但聚變到鐵元素時，其吸收的熱量要比釋放出的多，恒星就無法產(chǎn)生足夠的熱量和能量來保持自身的穩(wěn)定。對于大質(zhì)量恒星而言，它們會爆發(fā)形成超新星。這樣的爆炸撕裂了恒星，但同時也可能會壓縮恒星的核心，使它坍縮成一個黑洞。

雖然這很容易，但不保證會形成一個黑洞。恒星可能會被完全撕碎，或者核心可能不會坍縮成一個黑洞。為了確保能制造出一個黑洞，必須要采取一條更加漸進的路線。我們可以從一顆類似于我們太陽的恒星開始，而非一顆質(zhì)量龐大的恒星。

就像大型恒星已有，類太陽的恒星在其大部分的生命歷程中會將氫聚變成氦。隨著恒星的老去，它將逐漸變得更加密集和熾熱，隨著時間的推移將開始把氦聚變成碳、氮和氧。在大約100億年后，它將耗盡用于聚變的氫和氦。由于沒有足夠的輻射壓，恒星會在自身重量下開始坍縮。

在短時間內(nèi)，它會聚變重元素，這會導致它膨脹成一顆紅巨星。然而，類太陽的恒星根本沒有足夠的質(zhì)量來爆發(fā)形成超新星，所以它最終能做的就是坍縮。但它不足以坍縮成一個黑洞。

此時恒星物質(zhì)變成一種等離子體，原子已被分裂成電子和原子核的混合物。電子比原子核更容易運動，因此當這種恒星坍縮時，其電子壓力（簡并壓力）與自身重力相平衡。當這種情況發(fā)生時，恒星就演化成一顆白矮星。

白矮星和地球的大小對比

為了確定白矮星的大小，只需要知道等離子體（又稱費米氣體）在溫度和壓力下的行為即可。對于一顆太陽質(zhì)量的白矮星，其尺寸僅為地球大小。很難想象一整顆恒星的質(zhì)量被壓縮到地球般的體積中，但天文學家已經(jīng)在我們的星系中觀測到了許多白矮星。

電子壓力極其強大，所以在一個簡單物理模型中，無論給白矮星添加多少質(zhì)量，只會使它略變小。但在現(xiàn)實中，情況并非如此。電子費米氣體被擠壓得越多，電子就運動得越快。白矮星的密度非常大，使得電子的運動速度非常高，幾乎接近光速。這意味著必須要考慮相對論。

相對論的一個重要結(jié)果就是質(zhì)量和能量是相聯(lián)系的。因此，重力不僅作用于物體的質(zhì)量，而且還作用于其能量。通常能量貢獻是可忽略不計的，但是當電子接近光速時，它們的能量貢獻變得要比其質(zhì)量大得多。電子運動得越快，它們就越重。因此，電子加速所產(chǎn)生的更大壓力雖能抵抗重力，但最終還是會增加重力。

當?shù)竭_一個臨界點時，即重力大于電子所能產(chǎn)生的壓力，那么費米氣體則會完全坍縮。發(fā)生這種情況的臨界質(zhì)量大約為1.44倍的太陽質(zhì)量，這被稱為錢德拉塞卡極限。所以只要不斷給白矮星添加質(zhì)量超過這個極限，白矮星就會進一步坍縮。但它仍然不會坍縮成一個黑洞。

中子星

在白矮星中，主要壓力由等離子體的電子引起，而原子核發(fā)揮的作用要小得多。但是當一顆白矮星坍縮時，原子核的壓力仍然存在。電子坍縮會與質(zhì)子合并產(chǎn)生中子，留下的是中子費米氣體，這就是中子星。

所產(chǎn)生的中子星再次達到壓力和重力的平衡。通過計算可得，一顆約2倍太陽質(zhì)量的恒星會被壓縮成直徑約為15公里的中子星。因為中子比電子重得多，所以要給中子星添加更多的質(zhì)量，才能達到中子坍縮的臨界點。

在簡單的中子氣體模型中，無論添加多少質(zhì)量，中子星的尺寸在大約10-15公里處呈平穩(wěn)狀態(tài)。當然，事實并非如此簡單。當質(zhì)量不斷增加，星體的密度也會逐漸增加，直到一個臨界點就會形成黑洞。當天體的半徑小于其史瓦西半徑時，將會形成一個黑洞。對于任何給定的質(zhì)量，可以很容易地計算出這個半徑。例如，地球的史瓦西半徑大約是一厘米，所以一個地球質(zhì)量的黑洞大約只有一顆玻璃珠大小。

黑洞

因此，為了創(chuàng)造一個黑洞，只需給中子星不斷添加質(zhì)量，直到它的史瓦西半徑大于中子星的半徑。這個極限被稱為奧本海默極限，大約為3倍太陽質(zhì)量。天文學家在星系中觀測到很多中子星，其最高質(zhì)量約為太陽的3倍。

所以建造一個黑洞就像建造一顆恒星，只要把足夠多的物質(zhì)聚集到一個足夠小的體積中，這就是宇宙的運作原理。